Район расположен в центральной части Забайкальского края. В рельефе господствуют горные формы. Район пересекают хребет Кукульбей, Цугольский хребет, Ононский хребет и юго-западная часть Борщовочного хребта. Высшая отметка 1412 м находится на Ононском хребте. Горы довольно глубоко и густо расчленены реками и временными водотоками. Имеются месторождения и проявления золота, флюорита, редких металлов, цветных камней, стройматериалов и др.: Балейское, Душная, Жетковское, Казаковская золотоносная россыпь, Корыто, Кулинда, Лесковское, Среднеголготайское, Стрелка, Тасеевское, Тулун, Фатимовское, Этыкинское и др.

Климат резко-континентальный. Средняя температура в июле +16 °C ÷ +18 °C, максимальная +38 °C. Зима холодная. Средняя температура в январе −26 °C ÷ −28 °C (абс. минимум −42); выпадает осадков от 300 до 400 мм/год. Особенно засушливы весна и начало лета. Продолжительность вегетационного периода не превышает 140 дней. На юго-востоке района распространены горные мерзлотно-таежные оподзоленные почвы, в бассейне р. Унда лугово-черноземные, на остальной территории — преимущественно мерзлотные лугово-лесные. Характерны лиственничные среднегорные леса с ярусом из багульника в сочетании с пижмовыми степями и остепненно-разнотравными лугами, а также ивовые и ерниковые заросли. По долине р. Унда сырые солонцеватые злаковые луга в сочетании с осочниками и местами с кустарниками.